火電廠(chǎng)濕煙氣粉塵超低排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

薛小鵬，張 潔

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

火電廠(chǎng)濕煙氣粉塵超低排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

薛小鵬，張 潔

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

在我國(guó)，能源的消耗主要是煤炭，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)還不是特別成熟，所以火電廠(chǎng)還是占據(jù)比較重要的角色?；痣姀S(chǎng)煙氣的排放必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成非常嚴(yán)重的污染?；痣姀S(chǎng)脫硫脫硝除塵技術(shù)在不斷改進(jìn)，如果不對(duì)電廠(chǎng)的廢氣排放進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，某些電廠(chǎng)就會(huì)為了省錢(qián)，對(duì)脫硫脫硝除塵設(shè)備不滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，造成對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，煙氣中其他污染因子的監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，所以設(shè)計(jì)一套能夠適合現(xiàn)階段排放標(biāo)準(zhǔn)要求的監(jiān)測(cè)設(shè)備是非常有必要的。

濕煙氣；燃煤火電廠(chǎng)；低排技術(shù)

2011年7月18號(hào)我國(guó)環(huán)境保護(hù)部批準(zhǔn)了新的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2011)，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了火電廠(chǎng)大氣污染物排放濃度限制、監(jiān)測(cè)和監(jiān)控要求，規(guī)定了重點(diǎn)地區(qū)燃煤鍋爐的煙塵排放值低于20 mg/m3,重點(diǎn)地區(qū)的燃?xì)忮仩t或燃?xì)廨啓C(jī)組的煙塵排放濃度低于5 mg/m3。本標(biāo)準(zhǔn)從2012年1月1日起開(kāi)始執(zhí)行[1]，預(yù)示著我國(guó)對(duì)固定污染源排放有了更加嚴(yán)格的要求。我國(guó)煙塵連續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

基于新的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，采用濕法脫硫及在脫硫尾部增加濕式電除塵器的技術(shù)，這種能有效去除煙氣粉塵，實(shí)現(xiàn)煙氣各污染物參數(shù)(包括粉塵濃度)超低排放，已經(jīng)廣泛被火電廠(chǎng)應(yīng)用。然而鑒于新型脫硫技術(shù)的應(yīng)用及新的排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對(duì)于粉塵的監(jiān)測(cè)增加了兩個(gè)難題，第一：超低排放監(jiān)測(cè)對(duì)傳感器的精度，靈敏度，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性有了更高的要求；第二：濕法脫硫后，煙氣濕度增大，大大增加了粉塵的測(cè)量難度。

1 傳統(tǒng)測(cè)量方法

光吸收法：又稱(chēng)濁度法或?qū)Υ┓?，?dāng)光波通過(guò)粉塵介質(zhì)時(shí)，部分光波被吸收，入射光強(qiáng)和被吸收的光強(qiáng)根據(jù)朗伯比爾定律可算出粉塵濃度。濕煙氣的溫度一般在50 ℃～60 ℃之間，煙氣中水分含量較高，對(duì)光的吸收影響比較大，并且濁度法的檢出限是7 mg/m3,所以不適用與濕煙氣超低排放監(jiān)測(cè)。

光散射法：光散射法分為前散射，后散射，偏散射等。傳統(tǒng)的煙塵光散射法用的是后散射，是利用光照射到粉塵顆粒時(shí)發(fā)生光散射，測(cè)量散射光的強(qiáng)度，利用Mie散射理論，計(jì)算出粉塵濃度。濕度對(duì)光散射影響較大，所以傳統(tǒng)的后散射法不適用于濕煙氣粉塵測(cè)量。

β射線(xiàn)法：粉塵粒子吸收β射線(xiàn)的量與粉塵粒子的質(zhì)量成正比關(guān)系，根據(jù)粉塵粒子吸收β射線(xiàn)的量計(jì)算粉塵濃度。此方法的缺點(diǎn)是不能連續(xù)監(jiān)測(cè)，常用于空氣站粉塵的監(jiān)測(cè)。

濾膜稱(chēng)重法：采用規(guī)定的流量進(jìn)行采樣，將煙塵中的顆粒物捕集在濾筒上，濾筒采樣前后的質(zhì)量差，可以算出粉塵濃度，此方法一般作為參比設(shè)備，比對(duì)其他連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性。

其他的測(cè)量的方法還有振蕩天枰法、電荷法等等。

2 稀釋抽取式前散射法

傳統(tǒng)的測(cè)量方法都有自己本身的局限性。對(duì)于濕煙氣超低粉塵的監(jiān)測(cè)遇到的兩個(gè)難題，我們可以采用稀釋抽取式前散射法進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。稀釋抽取法是采樣方法：主要是采用等速采樣原理，對(duì)煙氣進(jìn)行抽取，并對(duì)煙氣進(jìn)行稀釋?zhuān)缓蟀褵煔饧訜岬綔囟雀哂?40 ℃，把水變成水蒸氣，去除水滴對(duì)光散射的影響，再利用光前散射原理，對(duì)粉塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)。預(yù)處理系統(tǒng)如圖1。

圖1 預(yù)處理系統(tǒng)

這種稀釋抽取前散射法可以忽略濕煙氣中水滴對(duì)測(cè)量的影響，用激光前散射的方法也可以提高測(cè)量精度和準(zhǔn)確度，檢出限也能達(dá)到0.1 mg/m3。目前比較有代表性的產(chǎn)品是：D-R820F(杜拉格)等。此系統(tǒng)可以分為以下五個(gè)子系統(tǒng)：稀釋加熱系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、反吹系統(tǒng)和校準(zhǔn)系統(tǒng)[2]。

2.1 稀釋加熱系統(tǒng)

主要是稀釋風(fēng)機(jī)抽取空氣，氣體經(jīng)過(guò)加熱器進(jìn)行加熱，部分高溫氣體用來(lái)加熱測(cè)量室，保證測(cè)量室的溫度在140 ℃以上(主要是為了保證測(cè)量室的水滴全部氣化成水蒸氣降低對(duì)粉塵測(cè)量的影響)，另一部分氣體進(jìn)入探頭，用來(lái)稀釋采樣粉塵。由于增加了稀釋風(fēng)機(jī)，在采樣探頭處的相對(duì)濕度可以降低30%～70%。所有的溫度控制是依靠測(cè)溫元器件和電磁閥互相配合的。氣體的稀釋比大概是1∶1。稀釋風(fēng)機(jī)的流量大小和煙氣流速相關(guān)。

2.2 采樣系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，采樣電磁閥打開(kāi)，采樣氣體和稀釋氣體通過(guò)采樣探頭和采樣電磁閥，進(jìn)入測(cè)量室，最后經(jīng)過(guò)射流泵排出測(cè)量系統(tǒng)，采樣的動(dòng)力源是射流泵。采樣系統(tǒng)主要采用等速采樣技術(shù)，根據(jù)煙氣的溫度、壓力、流速?zèng)Q定采樣流量的大小。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)

光散射分為前散射，后散射，偏散射等，三種散射中前散射測(cè)量精度最高，檢出限也可以滿(mǎn)足現(xiàn)階段的測(cè)量要求。本系統(tǒng)主要采用激光前散射技術(shù)。原理如下：一個(gè)激光二極管發(fā)出一束可見(jiàn)范圍(波長(zhǎng)約為650 nm)的調(diào)制光，射向煙塵當(dāng)中的粉塵顆粒。顆粒物散射產(chǎn)生的散射光被一個(gè)與光束軸呈約15°夾角的高靈敏度檢測(cè)器記錄下來(lái)。通過(guò)濾波電路、放大電路等計(jì)算出煙氣中的粉塵濃度。

2.4 反吹系統(tǒng)

準(zhǔn)確測(cè)量煙氣粉塵是本系統(tǒng)的目的，但是煙道煙氣比較復(fù)雜，抽取式測(cè)量粉塵儀的探頭、管路和氣室運(yùn)行一段時(shí)間，都會(huì)有粉塵殘留在探頭、管路和氣室壁上。如果長(zhǎng)時(shí)間不清理，就會(huì)造成采樣探頭、管路和氣室堵塞，對(duì)測(cè)量造成嚴(yán)重影響，為了減少系統(tǒng)維護(hù)量，反吹系統(tǒng)是必不可少的。

本系統(tǒng)的反吹系統(tǒng)可分為探頭反吹和測(cè)量氣室反吹。探頭反吹時(shí)，射流泵和采樣電磁閥停止工作，反吹閥打開(kāi)，對(duì)采樣探頭進(jìn)行反吹；測(cè)量氣室反吹時(shí)，射流泵停止工作，打開(kāi)氣室反吹電磁閥即可對(duì)測(cè)量氣室進(jìn)行反吹。多長(zhǎng)時(shí)間反吹一次、每次反吹的時(shí)長(zhǎng)由工況決定。一般超低粉塵設(shè)置4 h反吹一次，每次反吹5 min。

2.5 校準(zhǔn)系統(tǒng)

《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 75-2007)中第九章規(guī)定：當(dāng)煙氣CEMS不能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)而失控時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取糾正措施，并應(yīng)縮短下一次校準(zhǔn)、維護(hù)和校驗(yàn)的間隔時(shí)間。固定污染源煙氣CEMS運(yùn)行過(guò)程中的定期校準(zhǔn)應(yīng)做到：1) 具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能的顆粒物CEMS每24 h至少自動(dòng)校準(zhǔn)一次一起零點(diǎn)和跨度；2) 無(wú)自動(dòng)校準(zhǔn)功能的顆粒物CEMS每3個(gè)月至少用校準(zhǔn)裝置校驗(yàn)一次儀器的零點(diǎn)和跨度。所以設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)加入了校準(zhǔn)子系統(tǒng)。本系統(tǒng)的校準(zhǔn)子系統(tǒng)包括自動(dòng)零點(diǎn)校準(zhǔn)、量程校準(zhǔn)和自動(dòng)視窗沾污調(diào)零[3]。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1) 低維護(hù)：增加稀釋風(fēng)機(jī)，稀釋采樣降低系統(tǒng)管道內(nèi)樣品粉塵含量，提高了系統(tǒng)維護(hù)間隔。

2) 自動(dòng)反吹：減少采樣管路粉塵殘留，減少系統(tǒng)維護(hù)。

3) 自動(dòng)校準(zhǔn)：自動(dòng)校零，量程校準(zhǔn)，視窗沾污自動(dòng)修正。

4) 稀釋采樣：采樣探頭處相對(duì)濕度降低30%～70%。

5) 采樣探頭、探桿采用316號(hào)不銹鋼，耐腐蝕。

6) 配置LCD顯示屏，菜單設(shè)置簡(jiǎn)單，方便，快捷。

7) 安裝簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的同軸度安裝。

8) 工作壽命長(zhǎng)，內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，殼體嚴(yán)格密封，防止煙氣腐蝕。

9) 適用于煙氣濕度較大的工況。

4 安裝位置

粉塵濃度的準(zhǔn)確測(cè)量不僅對(duì)設(shè)備要求比較高，由于煙道的內(nèi)煙塵分布的復(fù)雜性，安裝位置也是非常重要的。測(cè)量點(diǎn)位的選擇也必須嚴(yán)格按照《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 75-2007)中第6章“固定污染源煙氣CEMS安裝位置要求”中的點(diǎn)位選取要求選擇合適的測(cè)量位置。

安裝位置要遵循以下幾點(diǎn)要求：

1) 位于所有顆粒物控制設(shè)備的下游；光學(xué)原理的顆粒物CEMS所在測(cè)定位置沒(méi)有水滴和水霧；便于日常維護(hù)。

2) 安裝位置應(yīng)避開(kāi)煙道彎頭和斷面急劇變化的部位，應(yīng)設(shè)置在距彎頭、閥門(mén)、變徑管下游方向不小于4倍煙道直徑，以及距上述部件上游方向不小于2倍煙道直徑處。對(duì)矩形煙道，其當(dāng)量直徑D=2AB/(A+B)，式中A、B為邊長(zhǎng)。當(dāng)安裝位置不能滿(mǎn)足上述要求時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在氣流相對(duì)穩(wěn)定的斷面，但安裝位置的前管段的長(zhǎng)度必須大于后管段的長(zhǎng)度[4]。

3) 點(diǎn)測(cè)量CEMS位置：離煙道或管道壁的距離不小于煙道或管道直徑的30%，位于或接近煙道或管道斷面的中心區(qū)。

4) 線(xiàn)測(cè)量CEMS位置：中心位于或接近煙道或管道斷面的中心區(qū)，所在區(qū)域離煙道或管道壁的距離不小于煙道或管道直徑的30%。

5) 安裝光衰減和光閃爍顆粒物CEMS時(shí)應(yīng)保證光路準(zhǔn)直。安裝后散射、前散射顆粒物CEMS時(shí)

測(cè)量探頭應(yīng)保持離煙道壁足夠的距離，防止靠近煙道壁的氣流的擾動(dòng)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。應(yīng)保證吹掃風(fēng)的風(fēng)壓大于煙氣壓力，保持與煙氣接觸的光學(xué)鏡片的清潔以及防止探頭過(guò)熱。

6) 原則上要求一個(gè)排放源安裝一套CEMS。若一個(gè)排放源排氣先通過(guò)多個(gè)煙道或管道后進(jìn)入該排放源的總排氣管時(shí)，應(yīng)盡可能將CEMS安裝在總排氣管上。不得以其中一個(gè)煙道安裝的CEMS測(cè)定值代替該排放源的排放結(jié)果。

7) 為了防止手工采樣質(zhì)量法在采樣過(guò)程中干擾顆粒物CEMS的測(cè)定，手工采樣孔，應(yīng)盡可能在顆粒物CEMS的下游，與顆粒物CEMS的距離不低于50 cm。

8) 為保證準(zhǔn)確地校準(zhǔn)顆粒物CEMS和煙氣流速CMS，顆粒物CEMS和煙氣流速CEMS應(yīng)盡可能安裝在流速大于5 m/s的位置。

9) 所有的儀器都應(yīng)避開(kāi)強(qiáng)烈振動(dòng)的位置；安裝在高空位置的儀器要采取措施防止發(fā)生雷擊事故，做好儀器接地，保證安全運(yùn)行。

5 總結(jié)

煙氣粉塵的測(cè)量是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工程，要保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，不僅對(duì)設(shè)備的要求比較高，并且安裝點(diǎn)位的選擇也非常重要。

[1] 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院.GB13223—2011火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2012.

[2] 張序,李建軍.燃煤電廠(chǎng)煙氣超低排放技術(shù)路線(xiàn)的研究[J].四川化工,2015,05:55-58.

[3] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.HJ/T 75—2007固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2001-09-30.

[4] GB/T 16157—1996固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法[S].北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)局，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1996-03-06.

FlueDustUltra-lowEmissionsContinuousMonitoringTechnologyinCoal-firedPowerPlant

Xue Xiaopeng, Zhang Jie

(ShanxiInstituteofAutomation,TaiyuanShanxi030012,China)

In China, because of the immature technology of wind power generation and solar power generation, the thermal power plant still plays an essential part in energy supply. That is to say, there is a great need of coal consumption in order to get enough energy. As a result, the emission of the flue gas from the thermal power plant will no doubt cause the severe environmental pollution. Although the technology of desulfurization, denitrification and dedusting is getting improved, the continuous monitor for the pollution air emission is of significant importance in case of that some power plants sometime stop using the desulfurization, denitrification and dedusting equipment which contributes to the serious damage of the environment just for saving money. On the other hand, there is a sustainable development of the monitoring technology for other pollution factors in the wet flue gas. Therefore, it is feasible and necessary to design new monitoring equipment satisfying the need of current emission standard requirements.

the wet flue gas; coal-fired power plant; low emissions technology

2017-09-25

薛小鵬(1987- )，男，山西運(yùn)城人，大學(xué)本科，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化控制。

1674- 4578(2017)06- 0011- 03

TP27

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